運動捕捉與人機工程學仿真優化生產流程以提高效率并減少工作量

運動捕捉與人機工程學仿真優化生產流程以提高效率并減少工作量

關鍵詞：運動捕捉，人機工程學仿真，流程優化

項目收益：●減少工作量●更快的生產●更少的員工●較小的空間需求

客戶必須應對不斷高的波動率，并且生產過程比預期的慢。目的是檢測并消除瓶頸，同時檢查工作量，以確保符合標準EN 1005-4。在項目過程中，我們檢查了工作說明，監控了工作流程，并測量了每個操作的周期時間。此外，我們檢查了工作量，并檢查了是否有合適的工具可用。我們檢查了生產線不同部分之間的物料流是否支持最佳生產條件。因此，我們能夠在實現之前證明優化建議的成功并計算投資回報。由于工作站布局的修改和任務的重新分配，我們減少了工作量，將傳送帶的速度提高了15％。我們還減少了電纜盒裝配站的員工數量，并將預裝配線的空間需求減少到58％。

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步驟1：篩選，即符合人體工程學的影響評估

在篩選期間，將根據工作量的強度以及對健康的嚴重性和所涉及的風險來對生產線上的工作站進行分類。

第一階段很重要，以便能夠盡快評估生產區域的總體狀態，并找出問題最嚴重的地方，立即需要采取糾正措施的地方。

缺陷圖與管理層一起進行了解釋，我們選擇了需要使用感官動作捕捉設備記錄運動并隨后使用ViveLab軟件進行分析的工作場所。

由于本案例研究中確定的問題很復雜，因此我們僅強調其中一個問題領域。下面我們將描述代表生產線瓶頸的預裝配線的優化。完成此處制造的最終產品的組成部分所花費的時間最長。因為不可能提高主生產線上的傳送帶的速度，所以對整個生產過程都有不利影響。為了能夠將傳送帶的速度提高到客戶要求的程度，預組裝線應該每44秒發布一次新產品，而不是原來的51秒。

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步驟2：使用傳感設備進行運動捕捉

為了能夠在預組裝單元中準確定位問題并確定解決方法，我們需要客觀地測量數據。因此，通過固定在他們身上的17個無線慣性傳感器捕獲了工人在預裝配線上的運動。這些傳感器可以快速，輕松地進行校準，而不會影響生產。它們不會阻礙或影響身體的移動，因此員工可以自然移動并照常完成工作。與光學傳感器不同，無需攝像頭系統。得益于Xsens Motion Capture技術，電磁波不會使數據失真。

在此過程中，我們在大約兩個小時內記錄了5種不同的工作流程。通過這一步驟，我們在生產區域的任務完成了。數據分析始終在我們專家辦公室的生產區域外進行。

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步驟3：VIVELAB ERGO仿真和分析

Secret HungaryLtd。無法提供工作站的CAD模型。根據平面圖，我們必須從幾何圖元構建預裝配線。在這種情況下，我們以這種方式獲得的簡單工作環境模型足以使不同工作站及其接口的工作過程經受多種人體工程學分析方法的約束。

構建環境之后，我們創建了虛擬的人類角色，并為每個角色分配了以前由傳感器捕獲的相關運動文件。結果，我們終于有了一個預裝配線及其工作活動的數字化模型。

工作站的示意圖（由于缺少CAD文件）

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由于精確捕獲了運動，內置的分析方法還可以檢測那些關鍵的運動和姿勢，這些關鍵的運動和姿勢在沒有傳感器的情況下可能不會被注意到，或者由于潛在的篩選效果而可能被隱藏。為了進行詳細的調查，我們導出了分析報告，該報告以相關的角度并以百分之一秒的精度突出顯示了需要調整以減少員工工作量的那些位置。

基于ViveLab Ergo報告的分析結果

該軟件根據七個內置的人體工學分析工具評估員工的姿勢：RULA，OWAS，NASA-OBI方法，ISO 11226，EN 1005-4標準，意大利面條圖和可達性測試。該軟件檢查每個身體部位的負荷是否超過可接受的極限。

我們檢查了經常出現哪種有害健康的姿勢，哪些動作顯著減慢了工作過程。在檢查運動時，我們發現了那些對于成功完成任務并不是完全必要的運動，并尋找了避免運動的方法，因此，我們能夠減少周期時間并可以加快傳送帶的速度帶。

ViveLab報告摘錄– ISO11226評估結果

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總體上已發現問題的描述

我們發現的最大問題之一是空間不足。結果，很難訪問工作站的不同部分，找不到合適的供應容器的位置，員工經常妨礙彼此的活動，工具和配件相當麻煩而不是幫助。

盡管員工必須搬運輕質工件，但必須以高頻率完成，這對肌肉骨骼系統有害。桌子上亂七八糟，因為物料管理不善，員工阻礙了彼此的出行方式。

已經發現，一個嚴重的問題是，長期站立站立會導致肌肉疼痛和疲勞，并可能導致肌肉骨骼疾病。由于惡劣的工作環境設計，物體難以抓握和移動，從而導致手部關節疼痛。不舒服和緊張的姿勢很常見，例如向前彎曲以從容器中取出必要的物品，或者在安裝過程中將身體倚在桌子上。此外，雙手經常舉到肩膀以上。

我們發現了有關工作站設計的基本尺寸和尺寸裝配問題。工作高度不合適。供應容器的高度也不符合要求。因此，員工很難完成他們的任務，從長遠來看，他們不得不采取對健康有害的姿勢。可達性問題很常見。工人不得不為某些工具和零件而四處張望。我們發現工具和零件的放置不合理。這些很難訪問，并且離員工很遠。員工浪費了寶貴的時間來走動并伸手去拿不同的零件和工具。不必要的動作使工人感到疲勞，并且在許多情況下，他們不得不采取不便的姿勢。

在許多情況下，都會發生高頻運動和持續不舒服的靜態姿勢。如下圖所示，腕關節承受了很大的壓力，因為在高比例的周期時間內手向側面抬起或傾斜。
步驟4：技術設計，虛擬驗證

從軟件導出的報告清楚地顯示了那些在物理上要求很高或可以避免的運動。該報告基于準確和客觀的測量結果，為工程師和人體工程學專家的設計團隊提供了必要的數據。在此基礎上，我們的專家制定了一項行動計劃，其中包括一些可能的個人，組織和技術建議。我們為選定的新布局記錄了適當的運動文件，并模擬了新的工作流程。分析結果之后，我們確信周期時間確實會縮短，并且工作量會減少。

實施前無需原型即可進行虛擬驗證

人體測量學設計，借助人體測量學數據庫

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每個員工不必像以前那樣在兩個較大的工作臺上工作，而是在新的預裝配線上在自己的高度可調的辦公桌上工作。這使他們可以在適合自己身高的桌子上工作。該解決方案的優勢在于，他們都能夠以最舒適的方式執行任務，并且減輕了工作時的疲勞感。結果，工人的頸部，肩膀和脊椎的肌肉較少受到拉傷。以后他會感到疲勞，并且可以保持較高的生產率。我們可以預見，在下班的后半段，他的表現不會減慢，而且他犯的錯誤也會更少。

我們建議為員工提供椅子，以便他們可以在站立或坐著的位置之間交替工作，這也由可調節高度的辦公桌提供支持。他們使用的椅子還應該帶有輪子，以便它們可以輕松滾動到更靠近容器或傳送帶的位置。

我們建議在不同的工作場所之間安裝滾軸傳送帶，以傳送要組裝的物品。這樣，員工不必增加重量，他們只需將工件推到下一張桌子即可。這種新安排的另一個好處是消除了桌面上的混亂情況，該情況以前是由桌子上幾個新項目的零件堆積所引起的。

原始和重新設計的預裝配線的示意圖

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我們還合理化了工具和零件的存儲方法。從圖中可以看出，供應容器的位置更靠近工人，因此，它們可以更輕松地到達必要的零件。根據新的工作組織的說法，淺綠色的供應容器和臺式機上的一些較小的存儲（出于保密原因而看不到）將由預生產線供應商而非工作人員來填充。橙色容器由3號員工填充。在這里，存放在預裝配線上完成的零件。通常，橙色容器只需要裝滿一個或兩個架子，這是因為4號工人不斷地拿起這些零件并將它們組裝起來，然后這些零件到達主要生產線的輸送機上。在大多數情況下，其他架子仍然空著。但是，如果由于某些不可預見的原因，主生產線的傳送帶停止運轉，則橙色容器（比所需的要大得多）可以存儲更多的物品。因此，預組裝單元不必停止。

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項目結果

從現場篩選到技術設計和虛擬驗證的整個項目大約需要12個工作日。糾正措施最重要的結果是，它減少了預組裝單元中的周期時間。這樣，我們可以實現客戶設定的目標。可以按照要求加快傳送帶的速度。生產最終產品所需的時間也減少了。傳送帶的速度比原始速度提高了15％。這種更快的生產過程使公司的年收入增加了約25萬歐元。

由于進行了重組，一名員工（而不是兩名員工）可以在電纜盒組裝工作站上完成任務，但是生產速度更快。結果，工人可以被轉移到勞動力短缺的另一個區域。這將為公司節省大約15000歐元的年度工資成本。

此外，為生產線提供原材料變得更加順暢。工作站的空間需求已從41平方米減少到24平方米，這意味著空間需求已減少到58％。

我們使用ViveLabErgo軟件對重新設計的工作站進行了測試，并按照與原始工作場所相同的人體工程學分析方法進行了測試。從軟件導出的報告詳細說明了每個工作站的分析結果。這份文件對RULA的分析結果進行了下面的比較。通過保護工人的健康獲得的財務收益很難量化。預防肌肉骨骼疾病也意味著節省資金，因為病假天的成本大大降低了。

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從圖表中可以看出，構成長期健康風險的姿勢比例已大大降低。同時，健康姿勢的比例增加了。該示例說明，當我們希望減少員工的工作量時，只需進行一些簡單的修改就可以實現顯著的結果。

與原始工作站一樣，重新設計過的工作站也根據NASA方法進行了檢查，并根據ISO 11226和EN 1005-4標準進行了測試。每種分析方法都證明，重新設計的工作流程對員工的負擔要小得多。

我們認為這是一項了不起的成就，我們能夠確保符合EN 1005-4工作安全標準的嚴格要求，該標準檢查了工人在工作期間相對于機器的姿勢和運動。

結論

此處提供的示例演示了如何根據詳細的人體工程學研究結果，成功地重新設計工作站或完整的制造單元，從而重新組織工作流程并提高整個工廠的效率。它本身就是一個巨大的成就，因為工人減少了生產速度卻又減少了生產空間，但是雇主竭盡所能預防肌肉骨骼疾病是無價的。這將使該公司比其競爭對手更具吸引力。由于我們帶來了變化，到輪班結束時，工人的工作量將減少。肌肉骨骼疾病將不那么普遍。此外，符合人體工程學的工作場所可幫助公司保留勞動力，因為每個人都喜歡在可以舒適地執行任務的工作場所工作。